梁成鋼 ，羅 群，張金風，陳佳宇，徐田錄，崔 倩，滕志輝

（1.中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油大學（北京）非常規(guī)油氣科學技術研究院，北京 102249；3.中國石油新疆油田分公司準東采油廠，新疆昌吉 831511）

準噶爾盆地為中國西部大型疊合盆地之一，屬于烏拉爾—蒙古復合造山帶的一部分，油氣資源非常豐富［1］。吉木薩爾凹陷為準噶爾盆地東部隆起的次級構造單元，位于準噶爾盆地東南部，面積約為1 278 km2，構造上西臨西地斷裂，東接古西凸起，北臨吉木薩爾斷裂，南連三臺斷裂，是在中石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)育的西深東淺的箕狀凹陷［2］。研究區(qū)構造縫發(fā)育程度不高，但是近水平、低角度的層理縫發(fā)育，其數量是構造縫的3～6倍［3］。目前常規(guī)的水平井壓裂以構造縫為主［4］，沒有充分利用數量和規(guī)模更加可觀的層理縫。層理縫研究一般關注其對油氣運移、富集的影響，而吉木薩爾凹陷裂縫（層理縫）的研究程度不高，并且僅僅停留在裂縫的識別、表征和分布規(guī)律上［5］，對于如何利用層理縫提高頁巖油、致密油采收率，尤其是層理縫中的壓裂液與基質中的原油滲吸主控因素和滲吸效率方面研究很少，不能很好地將層理縫與注水開發(fā)結合。筆者通過一系列實驗探究層理縫與構造縫滲吸效果的差異，其成果對優(yōu)化頁巖油、致密油壓裂方式以及高效開發(fā)具有重要意義。

1 滲吸原理與實驗方法

1.1 滲吸原理

在儲層致密的情況下，如果油藏介質是親水的，會發(fā)生自吸作用，水相進入多孔介質過程中替換出原有非潤濕流體（油相），基質中的油將被吸入的水代替并排出到裂縫中，這種過程是裂縫性水濕油藏中自吸采油的重要機理［6-7］。根據水吸入的方向與油氣排出的方向，可分為同向滲吸和逆向滲吸。當水的吸入方向與油氣被排出的方向相同時為同向滲吸，否則為逆向滲吸［8］。同向滲吸是重力支配的推進速度占主導地位，而逆向滲吸是毛細管力占主導地位（圖1）［9-10］。致密儲層的孔喉較小，對應毛細管力較高，其滲吸過程為毛細管力支配下的逆向滲吸［8］。準噶爾盆地蘆草溝組為低滲透儲層，通過DU PERY公式判定毛細管力與重力的主導地位［11］。當滲吸機理判別參數接近0時，重力支配作用明顯，該參數越大，重力分異作用對滲吸的影響越弱，毛細管力支配流動［12］。

圖1 滲吸機理模式Fig.1 Schematic diagram of imbibition mechanism

1.2 實驗方法

滲吸的傳統(tǒng)實驗方法主要包括體積法和質量法［13］。由于研究區(qū)巖心致密、孔隙度小，靜態(tài)滲吸排驅出的油相體積較小，并且少量滲吸置換出的油容易出現掛壁現象，使得體積法讀數存在較大誤差，無法準確測量各個時間段的滲吸置換量［14］，所以本次研究舍棄體積法，采取改進的質量法實驗與高溫高壓動態(tài)滲吸實驗分別用于對比常溫常壓與地層溫壓條件下的滲吸差異，利用薄片觀察法分析差異原因。

1.2.1 質量法

質量法的原理是將含油巖心樣品懸掛在潤濕相流體容器中，垂直方向上，重力向下，浮力與拉力向上，3個作用力達到平衡。隨著滲吸置換反應的發(fā)生，密度較大的潤濕相置換巖心中密度較小的油相，使得巖心樣品的重力增加，而巖心體積不變，因此浮力不變，拉力增加的值等于重力增加的量，拉力的變化可以通過天平讀數的變化表示。該方法精度較高，可以獲得滲吸過程中各個時刻的滲吸量數據，具有較高的可信度，但實驗周期長，一次實驗只能做一塊巖心，并且溫度、濕度、震動等外界因素會對實驗產生影響。盡管如此，綜合對比各種手段，該方法是精度最高、最準確的方法。

本次研究采用天平型號為AUW120D，精度為0.1 mg，記錄間隔為1 min，不間斷地進行測量，記錄質量變化。由于水、油的密度差，巖樣吸水排油，因此質量逐漸增加。滲吸效率計算式［15］為：

1.2.2 高溫高壓動態(tài)滲吸實驗

盡管質量法具有較高的精度，但其不能模擬地層溫壓條件。因此，筆者設計了高溫高壓動態(tài)滲吸實驗。將多塊含油巖心放置在充滿返排液的高壓容器內部，高壓容器耐壓60 MPa、耐溫150 ℃，滿足模擬溫壓需求。每隔一段時間打開反應裝置，對巖心進行稱重，通過其質量變化換算出各個時刻對應的滲吸量。本次研究目的是對比層理縫和構造縫滲吸效率的區(qū)別，故采用熱縮管包裹巖心，控制巖心樣品僅有柱體上、下表面裸露，即可視為僅有構造縫作用或僅有層理縫作用下的滲吸情況。該方法可以模擬地層條件下的滲吸反應，但是裝置拆卸繁瑣，巖心稱重誤差大，初始階段巖樣滲吸速度快，巖心質量變化快，人工手動稱重可能無法稱量出相應所有的質量，因而可能漏失掉部分數據。

1.3 樣品參數

本次研究所用2組標準巖心樣品來源于吉木薩爾凹陷同一口采油井——JHW043井，均來自蘆草溝組P2l22-2段，深度約為2 920 m，物性差異較大。A組為灰色泥質粉砂巖，巖心出筒時新鮮斷面油氣味濃，平均孔隙度為13.97%；B組為灰色熒光泥質粉砂巖，巖心出筒時新鮮斷面無油氣味，平均孔隙度為3.92%。2組巖心分別有2塊垂直層理和平行層理鉆取的標準柱塞樣，具體參數見表1。同時將鉆取A組標準巖心剩余的邊角料加工成鑄體薄片與不同規(guī)格的長方體（圖2），進行鏡下觀察與質量法實驗，由于長方體小塊來源于同一塊巖心的水平相鄰位置，基本可以忽略其物性差異。

2組實驗均需將巖心進行飽和油處理，飽和用油為蘆草溝組地層原油與煤油按照體積比1∶4的比例混合。常規(guī)的飽和油方式為抽真空法飽和，但是由于致密儲層物性較差，飽和效果不理想。筆者在抽真空法的基礎上進行改進，先進行高溫抽真空法飽和，飽和48 h后，再采用高溫油驅的方法（將傳統(tǒng)油驅裝置置于100 ℃恒溫箱中）進行二次飽和24 h。經過計算，A組巖心飽和程度平均為98.03%，B組平均為95.61%，質量法樣品飽和程度平均達99.72%，飽和程度較高，可以達到實驗需求。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組部分巖心樣品孔滲數據Table1 Porosity and permeability of core samples of Lucaogou Formation in Jimsar Depression

圖2 質量法實驗所用樣品Fig.2 Samples used by mass method

2 實驗結果與分析

2.1 薄片特征分析

前人對滲吸主控因素做過大量研究，包括孔隙度、滲透率、潤濕性、溫度和流體黏度等［7-8，16］。因此本文對以上因素不做過多研究，研究重點在于判斷層理縫與構造縫滲吸效率的區(qū)別，主要實驗手段為薄片觀察法。2組巖心分別沿垂直層理方向（垂直剖面）和平行層理方向（水平剖面）制作16個鑄體薄片。從鑄體薄片照片可以更加直觀的看出，研究區(qū)蘆草溝組層理十分發(fā)育，紋層厚度約為0.1～3 mm，屬于薄紋層，層理呈直線狀且相互平行，屬于水平層理，反映沉積水動力較弱的特點（圖3）。

圖3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組2組巖心鑄體薄片照片Fig.3 Two groups of core casting slices of Lucaogou Formation in Jimsar Depression

由垂直剖面薄片可以看到，微裂縫平行層理發(fā)育，微裂縫開度為10～20 mm，長度為200～400 mm，溶蝕孔隙發(fā)育程度較高，約占總孔隙的65%，可見少量殘余粒間孔（圖4）。溶蝕孔多發(fā)育在泥質含量較高的區(qū)域，推測其為生烴形成的有機酸溶解方解石與長石等礦物形成。鄰近的溶孔連接成縫，進一步發(fā)育形成肉眼可見的開啟的層理縫。部分微裂縫連接成更長的層理縫。A樣品面孔率約為4%～5%。水平剖面薄片面孔率與垂直剖面薄片基本一致，但是孔隙未連接成微裂縫，連通性較差，導致垂向滲透率低于水平滲透率（圖5）。

圖4 垂直剖面薄片孔、縫特征Fig.4 Characteristics of pores and fractures in vertical section

圖5 水平剖面薄片孔、縫特征Fig.5 Characteristics of pores and fractures in horizontal section

通過對熒光照片的觀察發(fā)現，垂直剖面方向原油呈條帶狀沿裂縫展布，與鄰近裂縫連通較好的裂縫中含油較少，而孤立的孔縫中含油較多（圖6）。水平剖面方向觀察到含油量較少，可能沿該方向原油更容易散失，殘余油呈滿天星狀無規(guī)律地分布于孔隙中（圖7）。因此油氣更容易沿水平方向的狹長孔隙、微裂縫等運移到構造縫中，即層理縫滲吸效率比構造縫低。

2.2 層理縫與構造縫滲吸效率對比

2.2.1 常溫常壓下

圖6 垂直剖面熒光特征Fig.6 Fluorescence characteristics in the vertical section

圖7 水平剖面熒光特征Fig.7 Fluorescence characteristics in horizontal section

常溫常壓下4塊樣品取自A組，包括1塊層理縫樣品（縫面積/體積為2 cm2/1 cm3）、2塊構造縫樣品（縫面積/體積分別為2和4 cm2/1 cm3）和1塊全裸露巖心樣品（層理縫面積為2 cm2，構造縫面積為4 cm2，體積為1 cm3）。從4塊樣品滲吸效率隨時間的變化（圖8）可以看出，滲吸過程可以分為3個階段，在滲吸開始的初期，滲吸效率增長較快，而后增長速率基本穩(wěn)定，呈現出平緩增長的趨勢，并緩慢趨于停止。對比層理縫與構造縫樣品，前者滲吸效率增長緩慢，滲吸周期長，并且最終滲吸效率低于后者。對比不同縫面積的構造縫樣品，縫面積越大，最終滲吸效率越高。對于全裸露巖心樣品，其在極速滲吸階段的滲吸效率增長速率大于單一構造縫或單一層理縫樣品，在緩慢—停止?jié)B吸階段增長速率放緩，最終滲吸效率和單一構造縫樣品差異不大。

圖8 常溫常壓下滲吸效率曲線Fig.8 Imbibition efficiency at normal temperature and pressure

對曲線進一步分析可知：①單位體積滲吸質量差約為6.5×10-3～8.0×10-3g/cm3，即巖心可以滲吸置換油體積約為0.032 5～0.04 mL/cm3；②層理縫和構造縫滲吸效率約為20%～27%，構造縫滲吸效率平均約為26%，層理縫滲吸效率約為構造縫的77%；③2 cm2/1 cm3的構造縫、4 cm2/1 cm3的構造縫、層理縫和全裸露巖心滲吸結束時間分別約為19，20，27和14 h，同時開啟層理縫與構造縫可以極大地縮短滲吸時間；④通過對極速滲吸階段拐點的觀察發(fā)現，構造縫樣品先出現拐點，并且變化幅度較大，層理縫樣品后出現拐點，變化較為平穩(wěn)，而全裸露巖心樣品拐點的出現時間與變化幅度介于兩者之間。推測是構造縫樣品沿層理方向排列的孔隙以及微裂縫快速發(fā)生滲吸所致。

2.2.2 地層溫壓下

綜合朱維耀等研究［16-18］認為，在壓力較高的情況下，壓力繼續(xù)增加對滲吸效率產生的影響較小。本次研究控制壓力為30 MPa，調節(jié)不同溫度模擬不同地層條件下構造縫與層理縫的滲吸效率。從圖9和圖10可以看出，孔隙度相對較低的B組巖心最終滲吸效率略高于孔隙度相對較高的A組巖心，平均滲吸效率提高5.7%左右；A和B組組內對比可以發(fā)現，構造縫樣品滲吸效率為46.2%，略高于層理縫樣品的43.2%，層理縫滲吸效率約是構造縫的93.4%。對同一組樣品不同溫度下的滲吸效率對比發(fā)現，提高溫度可以提高滲吸效率，但是A和B兩組滲吸效率差異以及同一組內不同裂縫類型樣品滲吸效率差異呈現縮小的趨勢。

圖9 溫度為100 ℃、壓力為30 MPa下滲吸效率曲線Fig.9 Imbibition efficiency curve at 100 ℃and 30 MPa

圖10 溫度為80 ℃、壓力為30 MPa下滲吸效率曲線Fig.10 Imbibition efficiency curve at 80 ℃and 30 MPa

根據4個樣品滲吸速度曲線（圖11，圖12），研究區(qū)致密砂巖儲層構造縫和層理縫滲吸反應均遵循3段式滲吸模式：極速滲吸階段、快速滲吸階段和緩慢—停止?jié)B吸階段，不同溫壓條件對應不同時長。

2.3 差異機理分析

圖11 溫度為100 ℃、壓力為30 MPa下滲吸速度曲線Fig.11 Imbibition rate curves at 100 ℃and 30 MPa

圖12 溫度為80 ℃、壓力為30 MPa下滲吸速度曲線Fig.12 Imbibition rate curves at 80 ℃and 30 MPa

孔隙結構的差異是導致層理縫與構造縫滲吸效率差異的根本原因。薄片觀察發(fā)現，研究區(qū)蘆草溝組儲層紋層發(fā)育，水平方向孔隙連通性較好，以此構建滲吸模型骨架模擬不同裂縫類型對巖石基質中原油的滲吸效果。由層理縫滲吸模式（圖13）可以看出，水相沿垂直方向的孔喉進入儲層基質中，置換其中的原油，層理縫滲吸的通道——孔隙喉道較窄，水相進入與油相排出的路徑較長，并且較為曲折。由于縱向上受壓實與膠結作用影響，顆粒呈扁平狀，縱向上孔喉減少甚至消失，導致層理縫滲吸方向存在死孔隙。

圖13 層理縫滲吸模式Fig.13 Imbibition pattern of bedding fractures

由構造縫滲吸模式（圖14）可以看出，水相沿層理方向進入儲層置換其中的油相，滲吸反應主要發(fā)生在連通性較好的水平方向的孔隙中，反應通道平直，滲吸主要通道為順層的連通孔隙或微裂縫。構造縫滲吸反應可以進入層理縫滲吸無法深入的縱向上的死孔隙中。值得一提的是，在構造縫滲吸模式中，如果存在較粗的微裂縫或層理縫（圖15），左側構造縫中的水相在較小的毛細管力的情況下無法克服重力作用，因而無法發(fā)生滲吸反應；右側構造縫中的水相由于毛細管力和重力同向，因而可以置換微裂縫或者層理縫中的原油。

圖14 構造縫滲吸模式Fig.14 Imbibition pattern of structural fractures

圖15 重力（浮力）作用影響滲吸反應的示意Fig.15 Schematic diagram of gravity（buoyancy）effect on imbibition response

對比層理縫與構造縫滲吸模式可以發(fā)現，層理縫滲吸通道更加曲折，但是由于層理縫滲吸的孔隙喉道較窄，毛細管力較大，導致層理縫與構造縫在滲吸時間上無明顯差異。相比較于構造縫，層理縫存在部分死孔隙，導致最終滲吸效率低于構造縫。

3 結論

孔隙結構的差異是層理縫與構造縫滲吸差異的根本原因。層理縫具有明顯的滲吸效應，地層溫壓下其滲吸效率約為構造縫的93.4%。充分利用層理縫的滲吸效應，可大幅度提高致密油采收率。

悶井過程中，層理縫中的壓裂液滲吸來置換致密基質中的原油的過程具有明顯的三段性，第1階段為極速滲吸階段，第2階段為快速滲吸階段，第3階段為緩慢—停止?jié)B吸階段。

建立了層理縫、構造縫滲吸模式，縱橫向孔隙結構的不同導致2種裂縫滲吸存在差異。

符號解釋

Vo——巖樣飽和油的體積，cm3；

Δm——巖樣質量的增加值，g；

η——滲吸效率，%；

ρw——潤濕相密度，g/cm3；

ρo——模擬油密度，g/cm3。